靴壓液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵要素設(shè)計及分析

一般來說，靴輥和靴套間為流體動力支承潤滑，靴輥和靴套間需配置1根橫幅的潤滑油管，并在潤滑管上安裝噴嘴，對靴套和靴板之間噴射冷卻后的液壓油，對壓區(qū)進行潤滑和冷卻，減小磨損，延長靴套使用壽命。另外，靴輥內(nèi)部加壓活塞的布置有單排和雙排2種結(jié)構(gòu)；根據(jù)紙種及紙幅水分均勻控制要求進行壓區(qū)的分區(qū)控制，如果對紙幅水分均勻要求高，宜采用分區(qū)控制來調(diào)節(jié)水分；雙排加壓活塞可以提高靴壓峰值加壓密度，減小紙機回濕現(xiàn)象^[3-4]。

靴壓對輥一般采用靜壓支承原理的軸承，線壓的載荷通過液壓加壓活塞，加載到對輥的中心梁上，輥殼的軸承基本上只承受輥殼和軸頭的重力，因此選擇較小規(guī)格即可，這種結(jié)構(gòu)的工作線壓可達1400 kN/m^[1]。靴壓對輥需要液壓系統(tǒng)提供加壓油，通過計算靜壓軸承加壓潤滑所需要的壓力和流量，確定液壓系統(tǒng)的輸出流量。

靴套是聚合物材料，相對靴板和對輥來說，質(zhì)地較軟，需要用液壓控制回路進行張緊，并配置壓力傳感器，實時檢測張緊力并顯示在控制面板中；靴套內(nèi)需要保持5~8 kPa壓縮空氣，保證靴套處于膨脹狀態(tài)，防止靴套有折痕被壓潰變形，靴套內(nèi)部通過設(shè)置虹吸管隔離靴壓回油管和主回油管，防止靴套內(nèi)空氣通過回油管連通大氣，無法保持靴套張緊壓力。

根據(jù)不同廠家的結(jié)構(gòu)，有液壓提升和機電絲杠提升2種方式。

靴壓液壓系統(tǒng)一般選用VG150的液壓油。由于靴板和靴套間采用流體動力支承的形式，靴板為不對稱的楔形結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)過程中的楔形結(jié)構(gòu)將潤滑油帶入壓區(qū)，形成流體動力支承，同時建立潤滑油膜，黏度高的油能產(chǎn)生更好的油膜，潤滑性能更好。靴板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般為流體靜力支承形式，通過在靴板的凹槽里通入壓力油，潤滑靴板和靴套的同時在靴板的凹槽里實現(xiàn)部分流體動力學(xué)效應(yīng)，提高油膜的剛度和載荷能力。

所需的流量可根據(jù)經(jīng)驗公式計算，如式(1)所示。

式中，Q為所需流量，L/min；L為靴板長度，mm；V為紙機速度，m/min。潤滑油的壓力一般為400~800 kPa，根據(jù)所使用的噴嘴形式來確定壓力。

已知L = 5937 mm，V = 750 m/min，因此Q為400.7 L/min。靴輥內(nèi)部的軸承潤滑流量為24 L/min，所以噴淋油需要的總流量是424.7 L/min。

除了靴板的潤滑之外，靴壓設(shè)備上的輥子軸承、減速箱等，也要進入集中稀油潤滑，對軸承流量和潤滑油溫度進行實時監(jiān)控。

由于潤滑用油的工作壓力較低，一般采用單獨的低壓泵，并在回路中設(shè)置好必要的流量計，實時檢測靴壓各個潤滑點是否良好，泵的電機最好使用變頻電機，可以方便調(diào)節(jié)潤滑流量。

根據(jù)靴壓模塊的設(shè)計線壓（1250 kN/m）和靴板加壓活塞的有效面積，可計算靴板加壓壓力。計算靴壓模塊工作所需流量時，考慮靴輥工作時加壓本質(zhì)是一個單作用的大液壓缸，工作時是保壓狀態(tài)，其余液壓控制回路如靴套張緊、靴板提升等控制回路只需要少量的泄露油保持液壓壓力即可，所以靴壓液壓系統(tǒng)正常工作時所需流量主要是可控中高輥工作所需流量?？煽刂懈咻亙?nèi)部沿紙機方向橫幅布置了若干個油袋，每個油袋設(shè)計1個毛細管，如圖1所示。液壓系統(tǒng)通過毛細管建立液壓靜壓支承，并在加載柱塞和內(nèi)輥面之間形成150 μm厚的油膜。靜壓支承的油袋和毛細管的數(shù)量確定后，根據(jù)帶毛細管補償?shù)撵o壓支承原理可知，壓力比（加壓壓力和油源壓力之比）為0.5左右，最好不大于0.5^[5]。壓力比為0.5時油膜的剛度和承載能力較大，在工作線壓1250 kN/m的情況下，根據(jù)加壓活塞面積，計算加壓活塞的工作壓力為8224 kPa，如果選擇壓力比為0.45，則為3700 kPa；根據(jù)毛細管的流量公式（如式(2)所示），在壓差一定的情況下，毛細管的直徑和長度成正比^[6]。根據(jù)經(jīng)驗，毛細管直徑一般取1.6 mm，如果直徑太小容易堵塞，且加工難度大；直徑太大則同樣的液阻下要求毛細管的長度更長。毛細管外徑6 mm，嵌裝在油袋中，油袋安裝毛細管的內(nèi)孔為6.1 mm，油袋剖視圖如圖2所示。

圖1  可控中高輥油袋橫幅分布圖（局部）

Fig. 1  Controlled crown roll oil pocket cross machine layout view（section）

式中，Q為毛細管流量，L/min；μ$\mu$為油液的動力黏度，當溫度在45℃左右時為0.0955 Pa·s；l$l$為毛細管的長度，取0.0967 mm；d為毛細管直徑，取1.6 mm；ΔP$?P$為毛細管的壓力降，取450 kPa。

圖2  可控中高輥油袋剖視圖

Fig. 2  Controlled crown roll oil pocket section view

由式(2)計算可得，每個毛細管的流量（Q）為4.7 L/min$\mathrm{4.7}\mathrm{L}/\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}$。

根據(jù)輥體結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，可控中高輥共68個毛細血管和油袋。一般來說，可控中高輥油袋的尺寸大小及間距是標準的，在不同幅寬的紙機中，紙幅的兩邊油腔寬度不一樣，根據(jù)幅寬減去標準的油袋寬度和間距尺寸得到兩端油袋的寬度。兩端的油腔除了從紙機橫向的封油邊出油之外，在紙機的端面封油邊也會有油流出，所以可控中高輥兩端油腔的流量相對標準油袋的流量會增加，一般靠近輥邊的4個油袋需要的流量是標準油袋的1.3倍。故中間油袋需求流量為282.02 L/min，邊緣油袋所需流量為24.44 L/min，總流量為306.46 L/min。

可控中高輥內(nèi)還配置了一個潤滑管，當可控中高輥開始轉(zhuǎn)動或者車速較低時，活塞加載壓力較低，設(shè)置了潤滑管對壓區(qū)進行潤滑。根據(jù)這種工況，液壓控制回路采用比例溢流閥控制可控中高輥的壓力，比例溢流閥的溢流管路接入噴油管，對可控中高輥的壓區(qū)進行潤滑，低壓運行時，大量的油通過溢流閥的溢流管連接潤滑管對加壓的壓區(qū)進行潤滑。當車速較高時，線壓逐漸上升到工作線壓，大部分的油通過毛細管和油腔，少部分的油通過溢流管，因為油腔流量增大，流經(jīng)封油邊的油對加壓的壓區(qū)起到潤滑作用。因此，確定泵的流量時，需增加30%的流量來對可控中高輥進行潤滑。

靴壓壓區(qū)加壓分為主壓區(qū)和邊壓區(qū)。主壓區(qū)采用比例溢流閥進行壓力控制，調(diào)節(jié)靴壓工作線壓。邊壓區(qū)用來調(diào)節(jié)補償紙機橫幅方向偏載問題，壓力比主壓力小，所以采用比例減壓閥和電磁換向閥進行控制，并帶高壓過載溢流和快速泄壓功能，當靴壓壓區(qū)進入異物等意外情況時能夠保護設(shè)備和快速泄壓。

主壓區(qū)控制原理圖如圖3所示。主閥芯為DN32插裝式溢流閥，滿足大流量工作要求；先導(dǎo)閥為比例溢流閥，DB是靴壓加油油路，通往靴壓加壓模塊和可控中高輥的油袋，調(diào)節(jié)比例溢流閥的壓力，就能調(diào)節(jié)靴壓線壓大?。籇A為溢流閥的溢流管路，連接可控中高輥內(nèi)部，對輥內(nèi)進行潤滑。當靴壓開機，工作壓力較低時，可控中高輥的毛細管無法正常工作，DA管路的油可以潤滑可控中高輥，防止輥內(nèi)磨損^[7]。

圖3  靴壓主壓區(qū)加壓控制原理圖

Fig. 3  Shoe press main zone hydraulic loading control diagram

邊壓區(qū)控制原理圖如圖4所示。采用電磁換向閥和比例減壓閥^[7]，滿足實時調(diào)壓的工作要求，設(shè)置壓力傳感器進行壓力閉環(huán)控制，當發(fā)現(xiàn)紙機橫幅水分有偏差時，可以調(diào)整邊壓區(qū)線壓，達到更好的橫幅水分一致性。

圖4  靴壓邊壓區(qū)加壓控制原理圖

Fig. 4  Shoe press side zone hydraulic loading control diagram

油箱為靴壓提供清潔和冷卻的液壓油。由于可控中高輥的油經(jīng)過靜壓支承，摩擦力較大，造成溫升較高。在靴輥中，噴淋油對靴板和靴套之間的流體動力學(xué)進行潤滑后，同樣產(chǎn)生了大量熱量，一般回油溫度約60℃，所以液壓站配置了板式冷卻器；當開機時，由于液壓油黏度較大，設(shè)置了加熱器，液壓油加熱到35℃后再進入靴壓模塊中。

不同于傳統(tǒng)的液壓站，靴壓液壓站需具有除氣的作用。由于靴輥外的靴套是聚合物材料，需要內(nèi)部充滿壓縮空氣，將靴套漲起。靴輥內(nèi)部的油與壓縮空氣充分接觸，使靴輥的回油充滿了氣泡，占10%左右，所以油箱的功能需要除氣。油箱分為凈油箱和回油箱。靴輥模塊的回油依靠自重回到回油箱，經(jīng)過1個990 μm的磁性過濾器，再通過一系列油箱內(nèi)部隔板和循環(huán)泵冷卻，然后將油泵到凈油箱，凈油箱也設(shè)置了3個隔板，最后通過高壓泵和潤滑泵，將油泵入閥盤以及相應(yīng)的流量控制單元。

液壓系統(tǒng)回油時，設(shè)置了1~2 m帶一定角度的回油槽，角度為2°~3°，回油槽內(nèi)設(shè)置若干個擋油板，加長油液的流動路徑，盡可能析出油中的空氣。

油箱內(nèi)設(shè)置3~5對隔板，每對隔板分成上隔板和下隔板，促進油液在油箱內(nèi)的流動。為優(yōu)化隔板的設(shè)計，利用了流體仿真功能，防止造成油液流動速度太快而油液混入空氣；或油液沖擊力大，對油箱的結(jié)構(gòu)強度造成影響。

簡化模型油箱的液壓油內(nèi)部流動的流體仿真圖如圖5所示，仿真的邊界條件為回油流量740 L/min，出油口（泵的吸油口）的壓力80 kPa（絕對壓力）；仿真結(jié)果是內(nèi)部油液的流量速度在0.3 m/s以內(nèi)，利于油液中氣泡的析出；同時流體的油液不會形成對油箱側(cè)板過大的沖擊力。

圖5  油箱油液的流體仿真

Fig. 5  Simulation of oil flow in the tank

虹吸管的功能是維持靴套內(nèi)部的膨脹壓力，一般為0.5~0.8 kPa。由于油箱內(nèi)部和主回油管與大氣相通，而靴套內(nèi)部有一定的膨脹壓力，不能直接與大氣相通，所以需要設(shè)置1個虹吸管，將靴壓回油管和主回油管進行隔離，保證靴壓的回油管一直都是滿油狀態(tài)，維持靴套內(nèi)部壓力。虹吸管的高度一般為0.8~1.2 m，保證靴套內(nèi)部最大的壓力為8 kPa，可以滿足靴壓工作需要。

虹吸管如圖6所示，一般集成在靴壓液壓系統(tǒng)的回油管中，靴壓回油管的油先進入虹吸管的最低點，在從下到上回流到主回油管，設(shè)置了可視液位計，可以觀察油液流通情況。虹吸管的設(shè)計參考了某紙廠進口靴壓設(shè)備回油管的應(yīng)用，加工簡單，成本較低，具有較強的實用性。

圖6  虹吸管液壓控制原理圖

Fig. 6  Syphon hydraulic control schematic diagram